что такое свиль в стекле

Свиль

Опти́ческое стекло́ — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных оптических приборов.

От обычного технического стекла отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией. Выполнение всех этих требований значительно усложняет его производство.

Содержание

В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения оптических систем, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим свойствам.

Химический состав

В основном в состав оптического стекла входит кремнезём, сода, борная кислота, соли бария, окись свинца, фтористые соли и другие вещества

Основные оптические свойства стекла

Основные свойства оптического стекла характеризуются показателем преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии.

Показатель преломления

Средняя дисперсия

Коэффициент дисперсии

Коэффициент дисперсии (число Аббе, ) — задаётся отношением разности показателя преломления без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления для жёлтой спектральной линии натрия.

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

где средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления для голубой (F’ ) и красной (C’ ) линий кадмия.

В настоящее время значения для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии

Частные дисперсии – это разности двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн и , не совпадающих с длинами волн и , выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии – это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

Хотя, для большинства оптических стёкол зависимость относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (чиса Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала, от длины волны света, представляет из себя сложную кривую. Форма этой кривой определяется параметрами конкретного материала и будет различной для разных типов оптических стёкол. Таким образом, частные дисперсии и относительные частные дисперсии служат для детализации зависимости изменений показателя преломления стекла от изменений длины волны.

Такая детализация необходима при расчёте высококачественных ахроматических и апохроматических компонентов, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол.

где: и — относительные частные дисперсии; и — коэффициенты средней дисперсии; -фокусное расстояние объектива.

Коэффициент поглощения света

Составляет не более 0.2-3 %.

Типы оптических стёкол

В основу, исторически сложившейся классификации оптических стёкол, легло общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными. До работ Шотта оптические стёкла состояли почти исключительно из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии v, что и было отражено в так называемой диаграмме Аббе. На этой диаграмме бесцветные оптические стёкла располагаются в виде широкой области вытянутой от нижнего левого угла диаграммы к её правому верхнему углу. Таким образом, можно было увидеть взаимосвязь изменения двух основных оптических характеристик с химическим составом оптических стёкол. Причём, с возрастанием показателя преломления, коэффициент дисперсии, как правило, уменьшался.

Использование подобных стёкол, для которых характерны иные сочетания главного показателя преломления и коэффициента дисперсии, существенно расширили область занимаемую оптическими стёклами на диаграмме Аббе. К тому же, связь между уменьшением коэффициента дисперсии, и возрастанием показателя преломления, стала менее заметной.

«Особые» стёкла

Кроме того, существуют, так называемые, «особые» стёкла, или стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них относятся к двум типам объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» (кроны с увеличенными относительными частными дисперсиями) и «курц-флинты» (флинты с уменьшенными частными дисперсиями). Эти наименования, происходящие от немецких слов lang (длинный) и kurz (короткий), весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями химического состава и/или структуры.

В современных каталогах оптических стёкол, для отображения «особых» характеристик, используются графики (диаграммы) зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (например, от в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль, так называемой, «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью от .

Диаграмма «относительная частная дисперсия – коэффициент дисперсии», так же, была предложена Эрнстом Аббе, однако, в избежании путаницы, её не принято называть именем автора.

Из стёкол относящихся к первому из типов (ланг-кроны) следует отметить, так называемые, низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся, как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии (то есть, значительным отклонением хода частных дисперсий от «нормального»).

Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически всё Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а так же российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём, отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.

Производство

Для получения цветного стекла в состав белого стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40% стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. Вследствие неравномерности остывания массы в ней образуются натяжения, которые вызывают растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются не из обычных кусков стекла, полученных после варки, и из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание натяжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергают исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут натяжения, которые приведут к появлению анизотропии. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптичеких приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла.

Дефекты

К недостаткам оптического стекла относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и напряжения.

Поскольку оптическое стекло изготавливается для конкретных целей, то нормируются не только наличие дефектов но и отклонения оптических показателей от нормы. Выбирать стекло для своих нужд, легче, если заранее определить критерии качества.

Обработка

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из нее цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отполировано, его форму контролируют и затем заготовку полируют. Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Просветление оптики

После полирования производится контроль качества поверхности стекла и затем для улучшения характеристик изделия может быть произведено просветление оптики путем нанесения тонких прозрачных плёнок, как правило, диэлектрических. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.

История

Одни из первых серьёзных попыток получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к XVII веку. Так, в труде немецкого химика Кункеля (Johannes Kunckel) «Ars vitraria experimentalis» (1689г.) упоминается о борной и фосфорной кислотах, как компонентах стекла, и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современым сортам. В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII веке это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729 г.), а затем, и с бо́льшим успехом, Питер Доллонд (1758 г.).

Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущеного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72%SiO₂, 18%K₂O, 10%CaO) и флинт (45%SiO₂, 12%K₂O, 43%PbO)

Разработанный технологический процесс позволял изготавливать вполне удовлетворительные линзы диаметром до 200-250мм. Однако сортамент оптических стёкол выпускаемых стекольными заводами в первой половине XIX века был практически ограничен двумя его типами.

Во второй половине XIX века немецкий химик Отто Шотт осуществляет, по предложению Эрнста Аббе, фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт и Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.

Источник

Стекловидные включения

Стекловидные включения представляют собой участки стекла, отличающиеся по своему химическому составу от основной массы стекла. Их называют свилями и шлирами. Свили и шлиры отличаются от основной стекломассы физико-химическими свойствами: плотностью, вязкостью, коэффициентом преломления и поэтому легко обнаруживаются невооруженным глазом. Обычно они бывают в виде полос, нитей прямых или изогнутых.

Стекловидные включения могут создавать слоистость стекла, образовывать сплошные бесформенные участки. Иногда свили могут быть причиной кристаллизации стекла. В этих случаях кристаллизация происходит вдоль свили.

Наиболее часто встречаются свили в виде нитей. Такие свили, не видимые невооруженным глазом, не допускаются только в оптическом стекле.

Появление стекловидных включений может быть обусловлено попаданием в стекломассу инородных веществ или нарушением технологии.

Свили располагаются как на поверхности, так и внутри объема стекла. Причинами образования свилей являются: отклонение химического состава шихты и плохое ее смешивание, применение стеклобоя другого состава, изменение направления потоков с вовлечением застойной стекломассы из глубины бассейна в рабочий поток и др. Во многих случаях причиной образования свилей является разрушение огнеупоров бассейна печи и различных преград. Огнеупоры содержат кроме кристаллической и стекловидную фазу, которая переходит в стекломассу и, являясь инородной по составу, образует свили. Если свили и шлиры образовались в варочной зоне, то при дальнейшем движении они могут смешаться с основной стекломассой. В том случае, когда свили образовались в зоне выработки стекла, где расплав имеет более высокую вязкость, они уже не успевают раствориться.

Контролируют свили в стекле визуально или с помощью теневого метода. Природу образований свилей определяют химическим или спектральным анализом. Использование современных методов рентгенофлюоресцентного анализа или электронного микроанализатора позволяют определить химический состав свилей с высокой точностью.

Источник

Пороки стекла

К числу пороков, портящих внешний вид стекла и плохо влияющих на его стойкость, относятся:

Плохой оттенок стекла

Листовое стекло, предназначенное для изготовления зеркал, должно быть почти бесцветным.

В песке имеются примеси железа в виде закиси РеО и окиси Ре20з, которые и вызывают в стекле оттенок большей или меньшей интенсивности. Закись железа окрашивает стекло в голубоватый цвет, окись — в желтоватый.

На заводах по изготовлению листового стекла для улучшения цвета (колера) производят обогащение песка – железо удаляется с помощью промывки водой, или посредством магнитной сепарации, или отсеивается специальной аппаратурой, пли продувается (воздушная сепарация), или обрабатывается химическими реагентами. Популярные современные методы обогащения песка – флотация и электросепарация. Выбор метода и эффективность его применения зависят от характера примесей, которые являются носителями соединений железа в песке.

Обычно при выработке листового стекла, предназначаемого для серебрения или других специальных целей, применяют лучшие по своему составу кварцевые пески с содержанием железа не более 0,06 процента. Кроме того, для получения хорошего колера стекла его при варке обесцвечивают специальными веществами, чаще всего – металлическим селеном.

Полосность и волнистость

Полосность и волнистость встречаются в неполированном листовом стекле.

Полосность представляет собой неровности, расположенные на ленте стекла в направлении вытягивания. Такие неровности на поверхности стекла рукой не ощутимы и незначительно искажают изображение просматриваемых через стекло предметов.

Волнистость – глубокая полосность. Она легко ощутима рукой и сильно искажает изображение предметов при рассматривании их через такое стекло.

Основные причины образования полосности и волнистости в стекле:

Стекло с волнистостью и полосностью для крупногабаритных зеркальных изделий совершенно непригодно.

Мошка и пузыри

Мошка и пузыри представляют собой газообразные включения в стекломассу в виде разной формы и размера пузырей (мошки – мелкий пузырь размером 0,5-0,8 мм), которые появляются в стекле во время его варки в результате взаимодействия материалов, входящих в состав шихты: песка, соды, солей, мел и известняка и др. Эти пороки могут образоваться также во время отливки и прокатки стекла.

Мошка и пузыри портят внешний вид стекла и уменьшают степень сопротивляемости его разъедаю¬щим веществам, и поэтому в стекле, предназначенном для изготов¬ления зеркал, мошка и пузыри допускаются в незначительном количестве и только разбросанными по всей поверхности стекла.

Иногда в стекле встречается белый или синевато-белый непрозрачный щелочный пузырь. Особенно он заметен на посеребренном стекле, для изготовления зеркал такое стекло непригодно.

Свиль и шлир

Свиль – нити стекла, идущие в произвольном направлении и располагающиеся в большинстве случаев группами. Шлир – резко выраженная грубая свиль. Иногда шлиры бывают в виде сплошных полос. Такие шлиры чаще встречаются в литом и прокатном стекле.

Участки стекла со свилью или шлиром искажают изображение рассматриваемых через стекло предметов; кроме того, неоднородная, со свилью и клиром, стекломасса не обладает достаточной механической и термической стойкостью.

Причины появления свили и шлира:

Свиль и шлир в листовом стекле, предназначенном для серебрения, не допускаются. Исключение составляет едва заметная свиль в виде единичных волосков, не ощутимых наощупь и невидимых в стекле на свет.

Камни в стекле

Камни в стекле могут быть материальные и шамотные.

Материальный камень образуется при плохо просушенном и просеянном материале. Собираясь в комки, материал оплавляется по поверхности, оставаясь нерасплавленным внутри.

Шамотный камень появляется в стекле в основном в результате разъедания брусьев, из которых выложен бассейн печи. Шамотный камень почти всегда вызывает поломку листа стекла, поэтому стекло, в котором обнаружен шамотный камень, не может быть использовано даже для производства зеркальных изделий, не требующих серебрения (настольные стекла, буфетная и дверная пайка и т. д.).

Камни в стекле не допускаются, так как они повышают хрупкость стекла и понижают его термическую стойкость.

Плохой отжиг стекла

Отжиг – постепенное охлаждение стеклоизделия. Если горячее изделие из стекла сразу после изготовления быстро охладить, в нем образуется напряжения из-за перепада температур внутри и снаружи.
Поэтому хорошее качество отжига связано с постепенным охлаждением стекла, когда внутренние и наружные его слои остывают одновременно.

Плохо отожженное стекло во время шлифовки или полировки трескается. При резке алмазом такое стекло часто отламывается не по линии надреза.

Химическая нестойкость

Под химической стойкостью понимается способность стекла сохранять прозрачную поверхность. Этот показатель зависит от состава стекла: чем больше в нем щелочей (окиси натрия), тем меньше стойкость.
Стекло считается химически нестойким, если оно быстро подвергается разъедающему действию химических реагентов Поверхность такого стекла быстро тускнеет, стекло может стать непрозрачным.

Налеты

Налеты на поверхности стекла образуются из-за разрушения поверхностной пленки стекла, если стекло в стопах подвергалось переменному действию атмосферной влаги и солнечных лучей или, находясь в сыром помещении, подвергалось действию то холодного, то теплого воздуха.

Матовость

Малая светопрозрачность стекла

Прозрачностью стекла – это его оптическое свойство, способность пропускать свет.
Совершенно прозрачных стекол не существует. Самые лучшие стекла имеют 92-95% прозрачности. Обычное листовое стекло толщиной 6,0 мм имеет светопрозрачность около 85%.

Механические повреждения

К механическим повреждениям относятся царапины, щербины, отбитые углы и др.

Царапины в основном бывают двух видов: грубые, механические, характерные своим изломом, и тонкие, штриховые. Грубые царапины могут быть нанесены на стекло каким-либо материалом или инструментом, твердость которого превышает твердость стекла, или острым углом стекла – угловые царапины.

Угловые царапины обычно устранить полировкой невозможно, и такое стекло для изготовления зеркал непригодно.

Допустимы только волосные царапины, которые устраняются легкой полировкой.

Щербины, отбитые углы и другие повреждения в листовом стекле допускаются в том случае, если они распространяются на глубину листа не более чем на 5 мм. При раскрое стекла эти дефекты должны быть устранены.

О том, что такое пороки зеркал и какие они бывают, и каких ошибок нужно избегать при серебрении стекла, читайте в наших материалах.

Источник